1.3 NGUYÊN TẮC SỬ DỤNG VÀ KHAI THÁC TÀI NGUYÊN
1.3.3 Các phương pháp khai thác tài nguyên nước
1.3.3.3 Đơn vị đo công suất và điện năng
Vấn đề đơn vị đo luôn luôn là phức tạp vì mỗi nước, đặc biệt là những nước công nghiệp phát triển đều có hệ đơn vị đo riêng của mình. Mặc dù có hai hệ đơn vị đo được sử dụng rộng rãi hơn cả là hệ Mét (Metric System) và Hệ Anh (British System), nhưng trong lĩnh vực năng lượng, thực tế lại tồn tại khá nhiều hệ đo. Thí dụ đơn vị tính công suất thường là KW, trong khi các hãng sản xuất máy thủy lực của lại dùng đơn vị Mã lực để ghi trên máy của họ (HP: các hàng Anh, PS: các hãng Đức, CV: các hãng Pháp). Do đó cần thiết phải trao đổi về đơn vị đo công suất và điện năng để thuận tiện trong sử dụng.
Đối với công suất: đơn vị đo thông dụng nhất trên thế giới và ở nước ta là
"Kilowatts" (có thể ký hiệu là: KW, kW hay Kw). Còn đơn vị đo năng lượng là:
"Kilowatt-Giờ" hay "Kilowatthours", ký hiệu là KWh. Khi số lượng lớn hơn đơn vị, các chuẩn đo có thể là:
Công suất Điện năng
1 Kilowatt (KW) = 103 Watt
1 Megawatt (MW) = 106 Watt = 103 KW 1 Megawatt-giờ = 103 KWh 1 Gigawatt (GW) = 109 Watt = 106 KW 1 Gigawatt-giờ = 106KWh 1 Terawatt (TW) = 1012 Watt = 109 KW 1 Terawatt-giờ = 109KWh
- Đối với đơn vị Mã lực (HP) lưu ý có 2 loại đơn vị đo là: "HP" hệ Metric và
"hp" hệ British:
1 HP [Metric system] = 0,9863 hp [British system]
1 hp [British system] = 1,014 HP [Metric system]
- Ngoài đơn vị đo là KW, HP còn đơn vị đo công suất là: kgm/s (kilogram- met/giây) và đơn vị đo điện năng là kgm (kilogram-met).
1 HP = 75 kgm/s = 75 x 9,81 = 736 W = 0,736 KW (2.1)
1 KW = 1,36 HP = 102 kgm/s (2.2)
Từ (2.1) và (2.2) suy ra:
1 HP-giờ = 0,736 KWh = 270.000 kgm (2.3)
1 KWh = 367.000 kgm = 367 tấn m (2.4)
- Nếu chuyển đổi sang đơn vị Calo (Cal) ta có:
1 Cal = 427 kgm (2.5)
1 KWh = 860 Cal (2.6)
Thí dụ 2.1: Tính năng lượng thu được bằng KWh khi đốt 1kg than loại nhiệt lượng 4000 cal/kg tại một nhà máy nhiệt điện có hiệu suất toàn bộ là 24%.
Giải: Vì hiệu suất tổng cộng là 24% , khi đốt 1 kg than trên sẽ thu được: 0,24 x 4000=960 Cal
Từ (2.6): 1KWh = 860 Cal ta có: 960/860 = 1,12 KWh.
Thí dụ 2.2: Tính số kg than (loại nhiệt lượng 4000Cal/kg) tiết kiệm được trong một năm khi đưa một nhà máy thủy điện vận hành với công suất trung bình trong năm là 8000 KW. Giả sử biết tỷ suất sản xuất điện bằng than là 3500 Cal/1 KWh.
Giải: Sản lượng điện trong 1 năm của TTĐ tính được là:
8000 KW x 365 ngày x 24 giờ/ngày = 70 106 KWh
Nếu cùng sản lượng trên thì nhà máy nhiệt điện phải cấp đủ số Calo sau:
3500 Cal/KWh x 70 106 KWh = 24,5 1010 Cal Cuối cùng ta tính được số kg than 4000 (Cal/kg) tiết kiệm được:
kg kg Cal
Cal
x 6,12107
/ 4000
1010 5 ,
24
1.3.3.4 Năng lượng sóng biển
Năng lượng sóng biển cũng có nguồn gốc từ năng lượng bức xạ mặt trời, nguyên nhân trực tiếp tạo nên sóng trên đại dương là do gió, nhưng gió lại có nguyên nhân từ ánh sáng mặt trời thay đổi theo ngày và đêm. Lịch sử sử dụng năng lượng sóng biển có thể được tính từ năm 1926 tại thành phố Atlantic City khi máy phát điện chạy bằng năng lượng sóng biển sử dụng cho thắp sáng. Tuy vậy sau đó nhiều thập kỷ, không có nhiều những công trình thử nghiệm tương tự.
Trong các cố gắng chế tạo các hệ thống sử dụng loại năng lượng này thì hệ thống
Phao trống - Neo được thử nghiệm nhiều. Hệ thống này có cấu tạo sơ bộ như sau:
Một phao nổi hình trống bên ngoài cuốn dây, hai đầu dây được neo cố định xuống đáy biển, dưới tác động của sóng biển phao trống lăn đi lăn lại và truyền chuyển động lăn tới trục máy phát điện.
Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học Anh, Nauy, Thụy Điển, Mỹ, Canada và Nhật Bản có công đi đầu trong việc nghiên cứu đánh giá tiềm năng sóng biển, xây dựng lý thuyết tính toán và sơ đồ nguyên lý khai thác năng lượng sóng. Năng lượng tiềm tàng của sóng biển (tính theo KW hoặc kgm/s) được tính trên 1 mét dài theo phương vuông góc với con sóng tới.
Công suất trung bình do một con sóng hình Sin có thể tính theo công thức sau (xem cuốn "Low-Head Power Plants", Emil Mosonyi, Budapest 1987):
/m
s ) kgm kd ( T 32 H
N g 2 (2.7)
Hoặc chi tiết hơn có thể theo công thức:
/m
s ) kgm
kd ( h g ) tan kd 2 ( h Sin
d k 1 2
T 32 H
N g 2 (2.8)
Trong đó: : Trọng lượng riêng của nước biển (kg/m3) g: Gia tốc trọng trường (9,81 m/s2)
H: Chiều cao sóng (m) T: Chu kỳ sóng (s) d: Chiều sâu nước (m)
k: Số sóng = 2 trên 1m dài sóng.
Nếu thay = 1040 kg/m3, g = 9,81 m/s2 và giả thiết (kd) =1 vào công thức (2.8) thì gần đúng ta có công thức tính công suất tiềm tàng đơn vị của sóng biển là:
N = 0,995 H2 T (KW/m) (2.9)
Một số nghiên cứu cho rằng, có thể khai thác được khoảng 50% năng lượng tiềm tàng trên trên của sóng biển, và nếu hiệu suất máy khai thác khoảng 50% nữa thì từ công thức (2.9) có thể sơ bộ tính được trữ năng kỹ thuật của sóng biển là:
N = 0,995 H2 T x 0,25 0,25 H2 T (KW/m) (2.10) Với phương pháp ước tính như trên, công suất kỹ thuật đoạn 1000km dọc bờ biển phía Tây Vương quốc Anh có thể khai thác được 12.000 MW.
Thí dụ 2.3: Sử dụng công thức (2.10) ước tính công suất có thể khai thác được từ sóng biển trên chiều dài 1500 km của nước ta, nếu chiều cao sóng trung bình là 1,2m, và chu kỳ sóng là 30 giây.
Giải: Từ (2.10) thay các số liệu vào:
N = 0,25 x 1,22 x 30 x 1500 103 = 16.200 MW
Về lý thuyết ta có thể khai thác nguồn năng lượng sóng lớn lao này, tuy nhiên về thiết bị và công nghệ, chưa có một hệ thống nào nào tỏ ra có hiệu quả, mặc dù nhiều thử nghiệm đã đưa ra các sơ đồ công nghệ và kết cấu khác nhau để có thể khai thác. Hình 2.1 giới thiệu một trong các sơ đồ khai thác đó, sơ đồ có tên gọi "NEL Breakwater Converter" - Máy phát điện sóng va NEL.
ChiÒu sãng Không khí ra
N-íc d©ng do sãng
Đáy biển Đáy biển
N-ớc hạ do sãng
Không khí vào
ChiÒu sãng
Hình 1.3: Sơ đồ khai thác năng lượng sóng biển NEL
Nhìn sơ đồ ta thấy tuốc bin khí được đặt ở tầng trên, tầng này thông với tầng dưới và thông với bên ngoài qua những van một chiều. Khi sóng tác động làm mực nước ở tầng dưới dâng cao, đẩy luồng không khí qua tuốc bin làm quay tuốc bin và máy phát điện. Ngược lại khi mực nước tầng dưới hạ, thì không khí từ ngoài tràn vào buồng trên, qua tuốc bin để xuống tầng dưới và một lần nữa trao năng lượng cho tuốc bin và máy phát điện.
1.3.3.5 Khai thác năng lượng thuỷ triều
Hiện tượng thủy triều có nguyên nhân là chênh lệch sức hút của Mặt trời và Mặt trăng đối với Quả đất. Trong một ngày đêm, mực nước biển có thể một (triều có chu kỳ 1 ngày) hay hai lần (triều có chu kỳ nửa ngày) nâng cao (triều cường) và xuống thấp hơn mực nước trung bình. Các loại triều khác là những tổ hợp khác nhau của hai loại triều trên. Với quan điểm khai thác năng lượng nước, năng lượng thủy triều khá hứa hẹn bởi trữ lượng lớn, là nguồn năng lượng tồn tại cùng với thời gian và khả thi trong khai thác. Trên thế giới, một số nước đã xây dựng
nhà máy điện thủy triều, riêng ở Việt Nam vấn đề này còn bỏ ngỏ. Tuy vậy, chương này cũng dành một phần nhỏ giới thiệu ngắn gọn về dạng năng lượng này và phương pháp khai thác.
(a) Trạm thủy điện thủy triều
Theo các tài liệu thống kê, có thể quan sát được độ dâng cao của thủy triều tại một số vùng bờ biển như sau:
Vùng bờ biển Mức triều cường Max (m) Mức triều cường TB (m)
1. Canađa 15,0 13,5
2. Anh 14,1 10,0
3. Pháp 14,1 10,0
4. Biển Bắc 5,0 3,7
5. Việt Nam - -
Với mức độ chênh lệch cột nước như vậy nếu tập trung được lưu lượng thì có thể khai thác sản lượng điện năng đáng kể. TTĐ thuỷ triều lớn nhất có lẽ là ở vịnh Passamaquoddy, gần biên giới Mỹ-Canada với Nlm = 100-150 MW và đầu tư khoảng 40 triệu USD theo thời giá lúc đó (1935-1938).
Theo phân tích, trạm điện thủy triều chỉ hiệu quả khai quy mô khai thác lớn (Nlm lớn), từ vài trăm MW hay hơn nữa. Một số phương án khái thác điện thủy triều có thể kể ra như sau:
Trạm: Rance Project (1950): Nlm = 221 MW; E0 = 550 GWh Passamaquoddy giai đoạn 2 (1969): Nlm = 4900 MW; E0 = 16.000 GWh Severn Estuarine (1978) : Nlm = 7200 MW; E0 = 13.000 GWh
Bảng 1.12: Một số dự án thủy điện thủy triều (theo E.M. Wilston, Water Power, 9/1983)
Quốc gia Vị trí xây dựng Nlm
(MW)
E0
(GWh)
Số lượng TB loại D1=7,6m
Độ dao đông triều
TB Anh
ấn Độ
Hàn Quốc Brazil Mỹ Canada
Trung Quốc LiênXô (cũ)
Severn Estuarine Mersey Estuarine Strangford Lough Shannon Estuarine Gulf of Kutch Kandla Garolim Bay Bacanga Knik Arm
Cumberland Basin Cubequid Bay Annapolis Royal Jiangxia
Lumbovsky
7.200 525 210 318
- 600 480
30 2.220 1.147 4.028
20 3 400
13.000 1.020
530 715
- 1.600 1.200
55 5.500 3.420 12.600
50 11
-
230 21 30 30 - 43 32 2 80 37 106 1 6 x (2,5m) -
9,3 6,7 3,1 3,8 - 5,2 4,6 4,1 7,8 10,5 12,4 6,7 6 6
Mezenskaya 10.000 - - 6
Sơ đồ khai thác trạm điện thủy triều về mặt nguyên tắc có thể giải thích trong Hình 1.4.
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ nhà như sau:
Khi mực nước biển trung bình, Van 1 và 2 đều đóng, lúc này mực nước bể B1 cao hơn B2, khi triều lên:
Van 1 đồng thời mở Van1 và cấp nước cho tuốc bin, mực Biển nước ở B1 cao lên do nước biển tràn vào, khi triều
rút: đóng van 1 và mở Van 2 để nước trong bể B2 B1 chảy ra biển. Quá trình này lặp đi lặp lại như vậy.
Yêu cầu hoạt động của Van 1 và 2 rất nhịp nhàng, Van 2 B2 tuy nhiên năng lượng khai thác được không liên tục
mà thành chu kỳ theo chu kỳ đóng mở van hay chu kỳ triều cường và triều rút.
Hình 1.4: Sơ đồ khai thác năng lượng thủy triều
(Theo F.J. de Vos)
Dựa theo sơ đồ nguyên lý trên và theo các phương án khai thác khác nhau nhằm giảm tính không liên tục trong khai thác, TTĐ triều có thể được phân thành các loại sau:
Loại I: TTĐ triều với một bể cấp:
(1) : Hệ thống quay vòng đơn:
(1a): Hệ thống vòng đơn khai thác lúc triều rút (Hình 1.4) (1b): Hệ thống vòng đơn khai thác khi triều cường (Hình 1.5) (2): Hệ thống quay vòng kép: khai thác cả hai chiều (Hình 1.6) Loại II: TTĐ triều với 2 bể cấp:
(3): Hệ thống 2 bể làm việc thay đổi (Hình 1.7) (4): Hệ thống 2 bể làm việc đồng thời
t0
t1 t2 t5 t6
t3 t4 t7 t8
0
T = 1 ngày đêm T phát điện T đóng
Hmin H0
Hmin Hmin
- +
Hmax Mùc n-íc biÓn TB
Mùc n-íc triÒu Mùc n-
ớc tạ i bÓ
Phát điện
Không phát điện bể chứa
biÓn
Hình 2.3: Sơ đồ 1 bể khai thác vòng đơn khi triều rút
Hình 1.5: Sơ đồ bể khai thác vòng đơn khi triều rút
- t0
t1
t2 t5
t3 t6
t4 0 t7
T = 1 ngày đêm T đóng T phát điện
Hmin
Hmin +
Hmax Mùc n-íc biÓn TB
Mùc n-íc triÒu Mực n-ớc tại bể
Phát điện
Không phát điện bể chứa
biÓn
Hình 2.4: Sơ đồ 1 bể khai thác vòng đơn khi triều c-ờng
Hình 1.6: Sơ đồ khai thác bể vòng đơn khi triều cường
t0 t7
t1 t2
t5 t6 t3 t4 0
T = 1 ngày đêm T phát điện T phát điện
Hmin
- +
Hmax
Mùc n-íc biÓn TB
Mùc n-íc triÒu
Mùc n-íc tại bể
Phát điện
Không phát điện bể chứa
biÓn
Hình 2.5: Sơ đồ 1 bể khai thác vòng kép
T đóng T đóng
t8
t9 t10
Hình 1.7: Sơ đồ 1 bể khai thác vòng kép
t0 t1
t2
t5 t6
t3
t4 t7
0
T = 1 ngày đêm -
+
Mùc n-íc biÓn TB Mực n-ớc tạ
i bể th-ợng l-u
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống 2 bể làm việc đồng thời
t8 t9
Mực n-ớc tại bể hạ l-u
Van 1
Van 2 BiÓn NMT§
Bể th-ợng l-u
Bể hạ l-u
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống 2 bể làm việc đồng thời
Trong các cơ đồ trên, về mặt nguyên tắc, năng lượng do chênh lệch cột nước của khối nước trong bể thượng lưu và biển hoặc bể thượng lưu và bể hạ lưu được truyền cho tuôc bin. Cũng về mặt nguyên tắc, do thời gian triều cường và triều rút có chu kỳ, cho nên năng lượng thu được cũng theo chu kỳ. Qua các sơ đồ trên (từ 1.4 đến 1.7), mỗi bước cải tiến đều dẫn đến việc năng lượng thu được sẽ
điều hòa hơn, trong đó sơ đồ hệ thống 2 bể cùng làm việc cho năng lượng điều hòa hơn cả. Sơ đồ này dựa trên nguyên tắc tương tự như với các TTĐ trên sông, khi phát điện, năng lượng chủ yếu phụ thuộc vào cao trình và khối lượng nước trong hai bể. Còn ở sơ đồ hai bể độc lập (hay làm việc thay đổi) thì năng lượng thu được do chênh lệch cột nước của khối nước giữa bể và mực nước biển (trường hợp này khi các tổ máy của hai bể làm việc lệch pha nhau sẽ cho biểu đồ năng lượng tổng cộng khá điều hòa. Nói chung do chu kỳ thủy triều ngắn, chỉ 8-14 giờ, cho nên hệ thống thiết bị là rất quan trọng, tuốc bin lớn, làm việc theo cả hai chiều, hệ thống van phải làm việc tự động và rất nhịp nhàng,... Ngoài ra, vốn đầu tư cho TTĐ thủy triều phải rất lớn và quy mô trạm cũng phải rất lớn, số lượng tổ máy có thể lên đến hàng trăm tổ máy.
Hình 1.8 dưới đây trình bày một sơ đồ bố trí nhà máy điện thủy triều để minh họa. Nhà máy này có các tuốc bin làm việc hai chiều với hệ thống của van xoay. Về nguyên lý tính toán thủy năng cho trạm thủy điện triều sẽ được đề cập bên dưới.
Hình 1.8: Bố trí trạm thủy điện triều với tuốc bin làm việc hai chiều và hệ thống cửa van xoay (Theo G. Wickert)
1.3.3.6 Năng lượng dòng chảy mặt
(a) Năng lượng toàn phần và năng lượng có thể khai thác được
Trước hết chúng ta xác định năng lượng của một hạt nước có khối lượng G đang chuyển động trong dòng nước chảy, sau đó sẽ nghiên cứu tổn thất ma sát và xác định năng lượng của dòng chảy trong một đoạn lòng dẫn. Bắt đầu với (Hình 1.9).
Với các ghi chú trên Hình 1.9, khối lượng hạt nước là G, chịu áp suất P, chuyển động với vận tốc v, tại cao độ h1 cao hơn cao trình mặt chuẩn và cách mặt nước một độ sâu h2, mặt nước có áp suất khí trời P0. Chúng ta biết cơ năng của nước (chất lỏng) thể hiện dưới 2 dạng: Thế năng và Động năng. Trong đó thế năng gồm Vị năng (G.Z), áp năng (G p/), còn Động năng (G.v2/2g)
Po/γ
v h1
G p/γ h
h2
Mặt chuẩn cao độ Z
Hình 1.9: Sơ đồ hạt nước chuyển động
Hệ số động năng có thể gần đúng coi bằng 1. Như vậy áp dụng công thức Becnuili với mặt chuẩn cao độ Z trong trường hợp hạt nước chuyển động, ta có thể tính năng lượng (cơ năng) tổng cộng của hạt nước bằng công thức:
p
g 2 h v G E
2
1 [kgm]
thay: p/ = h2 + p0/ vào công thức trên ta được:
2 p0
g 2 h v G
E [kgm] (2.26)
Công thức (2.26) biểu thị năng lượng tổng cộng của hạt nước so với mặt chuẩn. Nếu lấy mặt chuẩn sao cho áp suất bằng áp suất khi trời (p0/) hay thế năng tại mặt chuẩn là (Z + p0/) thì cơ năng tổng cộng của hạt nước có khối lượng G so với mặt chuẩn là:
2g
h v G E
2
[kgm] (2.27)
Công thức (2.27) thể hiện cho tất cả các hạt nước có khối lượng G chảy trong dòng chảy đều, không kể là hạt nước ở lớp mặt hay lớp đáy, đây là năng lượng tiềm tàng khi hạt nước tham gia quá trình chuyển động. Năng lượng này thực tế lại không khai thác được hết bởi vì thành phần h2 = p/ của hạt nước đang xét là do áp suất của các hạt nước xung quanh tạo nên. Do đó điều rất quan trọng là phân biệt năng lượng có thể khai thác được (ký hiệu là E0) của hạt nước chỉ là:
2g
h v G E
2 1
0 [kgm] (2.28)
Với lưu ý trên chúng ta sẽ nghiên cứu cách tính toán trữ năng (cơ năng) của một đoạn sông.
(b) Năng lượng của một đoạn sông 1 2 v1
H1
Q
H v2 H2
1
Mặt chuẩn 2
Hình 1.10: Tính năng lượng một đoạn sông
Xét một đoạn sông được giới hạn bởi hai mặt cắt 1-1 và 2-2 (Hình 1.10). Trong quá trình dòng chảy từ MC1-1 đến MC2-2 dòng nước đã tiêu tốn một năng lượng vào:
- Khắc phục nội ma sát và ma sát giữa dòng chảy với lòng dẫn - Tạo vận tốc của bản thân dòng chảy
- Xói lở lòng dẫn từ MC 1-1 đến MC 2-2
- Vận chuyển bùn cát và vật nổi cùng với dòng chảy
Để tính được phần năng lượng trên, chúng ta cần nêu một số giả thiết như sau:
- Lưu lượng chảy qua MC 1-1 và 2-2 là Q (m3/s), không có sự thay đổi tập trung về lưu lượng giữa hai mặt cắt;
- Coi hệ số phân bố động năng tại hai mặt cắt 1 và 2 gần đúng bằng 1;
- Coi dòng chảy là ổn định.
Như vậy trong khoảng thời gian là t giây sẽ có thể tích nước W = Q t (m3) đi qua hai mặt cắt. Năng lượng toàn phần tại 1-1 và 2-2 như sau:
2g
v Z p
W E
2 1 1 1 1
1 [kgm] (2.29)
2g
v Z p
W E
2 2 2 2 2
2 [kgm] (2.30)
Năng lượng mà khối nước W tiêu hao trong đoạn 1-1 đến 2-2 là:
2g
v Z p
g W 2
v Z p
W E E E
2 2 2 2 2 2
1 1 1 1 2
1 [kgm] (2.28)
2g
v v p
) p Z Z ( W E E E
2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 2
1
Công suất tương ứng là:
2g
v v p
) p Z Z ( t Q N E
2 2 2 2 1 1 2 1 2
1 [kgm,s] (2.31)
Trong đó phần trong ngoặc gọi là cột nước toàn phần (Htp)
2g
v v p
) p Z Z ( H
2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 tp
Cột nước toàn phần gồm 3 thành phần: Cột nước địa hình, Cột nước áp suất và Cột nước vận tốc. Theo giả thiết trên và nếu coi đoạn sông khá ngắn, ta có thể coi cột nước áp suất và cột nước vận tốc đều bằng không. Cuối cùng cột nước có ý nghĩa nhất về năng lượng đối với đoạn sông là cột nước địa hình (H).
H = Z1 - Z2 (2.30)
Thay = 9810 N/m3 hay = 1000 Kg/m3 ta có (N: kg lực, Kg là đơn vị đo khối lương):
N = 9810 Q H [Nm/s] (2.31) Vì 1 Nm/s = 1 Watt và 1000 Nm/s = 1 KW nên ta có:
N = 9,81 Q H [KW] (2.32)
E = 9,81 Q H t [KWh] (2.33) Công thức (2.32) và (2.33) là những công thức được sử dụng để tính toán công suất và điện năng lý thuyết của một đoạn sông. Hai công thức này thường xuyên được sử dụng sau này. Lưu ý đơn vị của các đại lượng trong các công thức đó là:
9,81 : [KN/m3] Q : [m3/s]
H : [m cột nước]
t : [giờ]